专利名称：高压套管的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压技术领域。微及根据权利要求开始条款的套管、高压或 中压设备、变压器及套管的制造方法以及片状材料的应用。这些套管在例如变 压器、气体绝缘开关设备、发电机中或作为测试套管获得应用。
背景技术：
套管，常通过接地屏障例如变压器箱用来在高压处承载电流的设备。为 降低和控制套管附近和套管里面的电场，已经开发了电容式套管，熟知的是分级套管。电容式套管通过插入浮置的(floating)均衡(电极)板实现电应力控 制，均衡板包括在套管芯中。电容式套管降低了场梯度并沿着绝缘体的长度分 布电场，这在高于标称电压指示时提供了低的局部放电指示。套管的电容器芯典型的是由牛皮纸缠绕或用皱纹牛皮纸作为隔离物 (spacer)。在分级套管中使用的均衡板由金属(典型的是铝)垫圈或导电或半导 电衬片(油墨，石墨膏)构成。均衡板同轴定位，以便在外闪络纟艘和内击穿 强度之间获得最佳平衡。纸隔离物确保电极板位于规定位置并提供了机械稳定 性。现在的套管的电容器芯用油(OIP，油浸渍纸)或用树脂(RIP，树脂浸渍 纸)浸渍。RIP套管具有这样的优势，即它们是干(无油)套管。RIP套管芯由 纸缠绕，在相邻的纸缠绕之间的合适位置插入电极板。然后在芯的加热和真空 M过程中注入树脂。在GB999 609A中公开了套管绝缘体的制造方法。在制itil程中，纸或织 物的一侧涂敷有树脂，缠绕在导体或心轴上形成套管，在相邻的匝之间周期性 的插^^属箔片。环氧树脂可以包括颗粒尺寸为5-100 M的粉末状的填料。由 于树脂的分子量高，避免了对纸幅的渗透。在US3 394 455中公开了制造电套管的浇注过程。在第一个步骤中，包括用作硅石的无机填料的树脂质的绝缘材料的体组件在内导体周围浇注。层叠由金属片或碳化硅片或碳浸渍的片形成的、用来分布电应力的管状导电或半导电 板，然后放置在体组件上，彼此间有空气间隔。空气间隔填充有包括填料的绝 缘树脂。在US 4,038,491中泰丞了电套管组件，其导体螺栓由固化的环穀别旨i辩斗 组合物完全密封。大约85重量％的具有高热导率的、粉末状的玻璃质填料的组 合物填充内导体螺栓和周围的凸缘部分之间的空隙。根据现有技术，套管还在US 2003/014861A1 、 WO 99/33065A、DE 12 43745B 以及US3 271 509中駄。希望能舰机械和/或电和/或热性能和/或套管的工艺性，尤其是浸渍的套管。发明内容因此，本发明的目的是制造具有改进的机械和/或电和/或热性能和域工艺 性的套管。M31具有权利要求的特征的装置和方法解决该问题。根据本发明，套管具有导体和围绕导体的芯。该芯包括片状隔离物。该套 管的特征在于，该隔离物包括在浸渍过程之前预先填入该隔离物的填料颗粒， 与没有任何预先填入颗粒的隔离物相比，该填料颗粒增加热导率。MS样，taybr套管的各种性能是可能的。例如，可以获得机械刚性更高 的套管。例如，在树腊浸渍的套管盼斷兄下，如果填料颗粒的〗顿导致芯中树 月瞎的减小，其中i辩斗颗粒具有比用于浸渍的树脂更小的弹性，就是如此。获得更好的热性能也是可能的，其允许在更高额定电流时使用类似尺寸的 套管，或在类似额定值时使用更小的套管。例如如果具有填料颗粒的套管的热 导率比没有填料颗粒的套管的热导率高，情况就是如此。这样可以在树脂浸渍 套管的情况下，导致工艺得到,，因为树脂的固化可以在更高的温度下进行， 使得固化过程花费的时间更少。因此，力口快高压或中压套管的制造是可能的。如果4顿誠的±辩斗颗粒，使芯的tan5和/或介电常数舰也是可能的。而且，通过使用填料颗粒，减小套管的吸水是可能的，而且可以使得断裂 韧度增加(，能力更高)。而且套管的热机械稳定性和寿命可以受到有利的影响，因为通过1OT填料或心轴)之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配降低了。由 于i顿包括i辩斗颗粒的隔离物和/或具有填料的基体材料(matrixmaterial)，芯的 CTE更低，这导致固化期间总的化学收縮减小了。这使得可以进行(近)端形 状套管的制造(无需机柳口工)，因此大大縮短了制造时间。当然，隔离物中的填料颗粒并不意瞎(只)是那些i辩斗颗粒，所述填料 颗粒包括在用于浸渍的基体材料中，并且通过使用包括±真料颗粒的基体(matrix) 对芯进行浸渍结合在隔离物中。因此，根据本发明的隔离物可以称为"预先i真充 i辩斗颗粒的隔离物"。该'预先填充"指的是这样的事实，即在其它填料颗粒可能， 例如ffl31浸渍过程，结合到隔离物中之前，该隔离物已经包括填料颗粒。
的是，甚至在其被设置(缠绕)在芯周围之前，该隔离物就填充有填料颗粒。 浸渍基体中的i真料颗粒可以是与隔离物中的那些不同的类型，或者是部分或完 ^ffi同的，。也有可能使用未填充的树脂或具有少量填料的树脂，获得只在浸渍基体(和 未填充的隔离物)中有(更多)填料时才有的填料颗粒的有利性能。关于^f柳 ^i真充的隔离物和包括i辩斗的基体，能使制3^31程得到 (加速)，禾口/或可以 最终在芯中使用更大尺寸的填料颗粒。导体典型的是棒或管或导线。芯提供导体的电绝缘，并且可以(但不是必 须)包括均衡板。典型的，该芯基本上旋转对称并与导体同心。扁的隔离物可 以用聚合物(树脂)或用油或一些其他电绝缘填充材料浸渍。扁的隔离物可以 是纸(牛皮纸、铍纹纸)或不同的材料(例如，聚合物或一些有织纹的扁平材 料)，其典型的是以螺旋的形式缠绕在导体的周围，因而形成许多相邻层。在一个优选实施例中，多层围绕导体的层由隔离物形成。典型的，该隔离 物围绕导体或心轴缠绕形成螺旋。虽然只使用了一片隔离物材料(或很少几片 隔离物材料)但这增强了可制造性。倉旨使电极正确定位。在更ttii的实施例中，包括i辩斗颗粒的隔离物4顿电绝缘基体材料浸渍。 该基体材料可以是例如油或树脂(填充^填充)。在一刊继实施例中，该隔离物缠绕在轴周围，该轴通过导体的微限定。 在距离轴合适的径向距离，在芯中提供^属或半导体材料的均衡板。这样的套管是分级或精细分级的套管。典型的，单层隔离物材料围绕导体 或围绕心轴缠绕以形成隔离物螺旋。尤其是在套管很长的情况下，两个或更多个轴向偏移的隔离物材料的带子可以平行缠绕。缠绕双层螺旋或更厚的隔离物材料也是可能的；然而这样的双层或三层可以被认为是一层隔离物材料，该隔 离物材料在那种情况下碰巧是双层或三层的。均衡板可以是金属箔片，例如铝，其在数次缠绕后被插入芯中，使得均衡 板与轴具有明确的、可规定的径向距离设置和固定。用于均衡板的金属或半导 ##料也可以通过向隔离物施加这些材料来提供，例如ffl31f^凃、印刷、涂敷、 等离子体喷涂或化学气相沉积等。优选的是，该隔离物包括纤维，尤其是纤维素纤维。纤维素纤维通过毛细 效应可以很好地被绝缘基体渗透。优选的是，除填料颗粒外，该隔离物主要由 纤维，尤其是纤维素纤维制成。纸，尤其是铍纹纸，是ifc选的隔离物的一个例 子。隔离物例如还可以包括或基本是聚合物(除填料颗粒外)。隔离tH吏用纤维 素，这可以缩短套管的制造时间，因为干燥时间可以显著縮短。代替其他纤维 或除了其他纤维之外，例如，除了纤维素纤维和/或聚合物纤维之外，在隔离物 中具有玻璃纤维也是可能的。4她的是，填料颗粒可以是电绝缘的或半导电的。尤其4爐的是，±辩斗颗粒主要由至少一种下列物质制成或包括至少一种下列物质Si02、 A1203、 BN、 細、BeO、 SiC、 Si3N4、 B4C、 ZnO、 BaTi03、 BaS04、 TiB2、 Ti02 (二氧化钛)、 碳酸药、水合氧化铝、金刚石、粘土、云母。使用掺杂材料颗粒和各种材料的 混合物是可能的。在隔离物中具有各种填料颗粒的混合物也是可能的。为在填 料颗粒和基体材料和/或隔离物材料之间获得改进的附着力，填料颗粒可以是经 表面处理的，例如ffl31涂敷，例如用环氧硅烷涂敷。{ 的是，填料颗粒是无禾，粒。但是也可以^ffi有m^粒。优选的是， 颗粒的物理状态是固体。 的是，填料颗粒具有低的介电常数，尤其是介电常数低于ioo，雌對氐于IO， 對氐于5。雌的是，i辩斗颗粒的tanM、于1 ，小于104，更好的是低于IO-2，再更好 的^[氐于4*10—3，或甚到氐于1*10—3。4腿的是，i辩斗颗粒占隔离物的至少1%的重量，尤其是至少3%或至少5% 或至少10%的重量。±真料颗粒的重量含量可以高达50%、 70%或更高。可以根据隔离物和要与填充纸结合隔离物的套管的需要(要达到的性能)和工艺皿 择正确的填料颗粒的含量。在隔离物中使用纳米尺寸的颗粒和微米尺寸的颗粒作为填料颗粒是可能的。在本发明的 实施例中，相对于没有任何i辩斗颗粒的隔离物，包括填料颗粒的隔离物的热导率增加了。这可以用热导率比未填充的隔离物更高的填料 颗粒来获得。这些优点概况为套管的热性能更好，允许尺寸更小的套管承载 高电流(套管的紧凑设计和/或更高的额定电流)以及如果套管必须固化(例如， 在树腊浸渍的情况下)，套管的可加工性更好(更快)。M51在隔离物中使用填料颗粒和/或具有填料的基体材料，芯的更高的热导 率将允许套管的额定电流的增加或尺寸减小，并在相同的额定电流时可能减小 套管的重量。在运行^^牛下，在使用高热导率的填料颗粒时套管中的热分布更 均匀。热导率甚至还可以ffl31^M粒和基体之间的界面(附着)，例如通过表面 M，禾口/或ffl5i隔离物中i辩斗颗粒的渗透，得到进一步的提高。有利的是，隔离物具有至少0.2W'm、K—1的热导率，尤其是具有至少 0.8W.m-、K—1。现有技术中己知的套管，具有树脂浸渍的纸(没有填料)通常显 示出大约0.1Wnn、K"-0.2W'm、I^的热导率。j趟的是，根据本发明，达到超 过2W'm-、K"，舰5W'm"'IC1鹏过lOWn^'K-1或者甚至超过lOW'n^IC1 的热导率。i^l4颗粒的类型和数量可以相应的选择。例如，Si02具有1.4W'm—、K—1 的热导率，Al2O3具有30W'm—、K"的热导率，A1N具有260Wnn—、K—1的热导率， 以及BN具有300W*m—、K—1的热导率。在另一个实施例中，为在隔离物和其将被浸渍的基体材料之间具有M的 附着力，隔离物被涂敷和/或被表面鹏。取决于隔离物材料，对套管，蚀刻、 涂敷或其他方式处理隔离物的表面有利，使得在隔离物和基体材料之间的相互 作用获得改进。这使芯的热机械稳定性增强。在另一个实施例中，隔离物缠绕在轴(A)上，轴(A) M导体的形状限 定，并且隔离物中i辩斗颗粒的鄉和/或i辩斗颗粒的尺寸和域填料颗粒的浓度沿 着平行于轴(A)的方向禾口/或与该方向垂直的方向变化。在另一个实施例中，在套管是包括电绝缘基体材料的浸渍套管时，基体材料还可以包括填料颗粒(全部或部分相同，或不同类型和/或浓度)。 的是， 基体材料包括聚合物和填料颗粒。该聚合物例如可以是环氧树脂、聚酯树脂、 聚氨酯树脂或另外的电绝缘聚合物。优选的是，^体中的填禾斗颗粒是电绝缘的或半导电的。基体中的填料颗粒例如可以是Si02、 A1203、 BN、 A1N、 BeO、 TiB2、 Ti02、 SiC、 Si3N4、 B4C、金刚石、粘土、云母等的颗粒或其混合物。在聚合物 中还可以具有各种颗粒的混合物。优选的是，颗粒的物理状态是固态。与未填 充的环氧树脂作为基##料的芯相比，如果使用具有填料的基体材料，芯中有 的环氧树脂更少。因此，固化环氧树脂所需的时间被显著缩短，鄉短了制造 套管所需的时间。根据本发明的高压或中压设备包括根据本发明的套管。这样的设备例如可 以是开关设备或也是高压或中压的装置(例如发电装置)。根据本发明的变压器 包括至少一个根据本发明的套管。这些设备共享套管的优点。根据本发明，制造套管的方法包括如下步骤围绕导体或心轴缠绕片状隔 离物以及用包括填料颗粒的片状材料作为隔离物。4继的是，该(或一些)填 料颗粒在隔离物可能发生浸渍前就已经包括在隔离物中。有可能在围绕导体或 心轴缠绕时为片状隔离物提供±真料颗粒；此后，包括填料的隔离物然后使用电 绝缘基体材料浸渍。 的是，在隔离物围绕导体或心轴缠绕之前将:t辩斗颗粒加入隔离物中。 ifc^的是，在制造隔离物的过程中，填料己经加入隔离物中。例如，如果用纸 作为隔离物，填料颗粒可以添加到纤维素纸浆中，其然后形成片状并干燥。矿 物填料，例如碳酸转、水合氧化铝、二氧化钛，已经在造纸工业使用许多年， 用于使纸更光滑和更亮，降低成本或抑制真菌的生长。例如，在制造更高质量 的打印纸时4顿水合氧化铝以增加白度、不透吸性和适印性能。根据本发明， 可以使用造纸工业熟知的方法，将填料颗粒加入用在套管中的纸中。所述方法的优点对应套管的优点。本发明还包括片状材料的使用，该片状材料包括±真料颗粒，用作套管芯中 的隔离物。到腿的实施例和优点i^人属独立权利要求和附图中体现出来。
以下，通过在附图中示出的tti^实施例，更详细的示出本发明。附图示意 性的表示图1精细分级的套管的横截面(轴面)，局部视图； 图1A图l的放大细节视亂图2精细分级的套管的内部横截面(径向平面)；图3HV或MV设备(^jl器)。附图中所用的附图标记和它们的含义总结在附图标记列表中。通常，相似 或相似功能部件采用相同的附图标记。所述实施例旨在作为实例而不是限定本 发明。
具体实施方式
图1示意性的示出精细分级的套管1的横截面的局部视图。该套管基本上 关于对称轴A旋转对称。在套管l的中心是固态金属导体2，其还可以是管或 导线。导体2被芯3部他围，其基本上也关于对称轴A旋转对称。芯3包括 隔离物4 ，其缠绕在芯的周围并使用作为基体材料6的可固化的环氧树脂6浸渍。
巨离轴A的规定位置，在隔离物4的相邻缠绕之间插入数片铝箔5以作为均 衡板5。在芯的外侧，提供凸缘10，其允许将套管固定到顿器或开关设备等 的接地外壳。在运行条件下，导体1可以处于高电位，并且芯提供导体2和处 于地电位的凸缘10之间的电绝缘。在通常位于所述外壳的夕卜侦啲套管2的那侧， 绝織套ll包围芯3。封套ll可以是由例如，瓷器、硅树脂或环氧树脂制成的 中空合成物。封套可以具有伞裙(shed)或如图1所示提供伞裙。封套11应该 保护芯3免受老化(紫外线、天气)并在套管l的齡寿^1程中保持良好的 电绝缘性能。伞裙的微这样设计，艮P，使得其暴露在雨中时具有基本自净表 面。鄉免了灰尘或污染物在伞裙表面积累，灰尘或污染物在伞裙表面积累会 影响绝缘性能并导致电闪络。如果在芯3和封套11之间有中间空间，可以提供绝缘介质12，例如，绝 缘液体12 (如硅灌搬或聚氨酷疑胶)来填充该中间空间。图1的局部放大视1A详细示出了芯3的结构。隔离物4呈片状，在 该瞎况下，其由纸制成并形成数个相邻的层4。标出了一个均衡板5。均衡板 5在相邻隔离物缠绕之间距离轴A —定距离插入。通il相邻均衡板5间的隔离物缠绕的数量(整数或非整数)，可以选择相邻均衡板5间的(径向)距离。相 邻均衡板5间的径向距离可以从均衡板到均衡板变化。图1A中的会隨显示为几乎在它们的 ^面彼此接触。通常，^ti^顿铍纹纸。皱纹纸(具有许多铍纹和折叠)的波纹表面将导致在相邻纸层之间形成鹏。这些通道在浸渍时将填充基体材料6并舰基体材料6渗透至湘令幅 之间的空隙中很有帮助。由于纸4的纤维结构，基体材料6还将渗透纸4本身。 芯3的基体材料6 1趟题粒填充的聚合物。例如填充有A1203的环氧树 脂或聚氨酯。典型的填，粒的尺寸是约10nm到30(^m。隔离物的皿使得 Jgf斗颗粒可以在浸绩期间遍及芯3分布。在图1A中示出了纸4中包括的填料颗粒14。它们是例如尺寸在lnm到 4(^m的Al203颗粒。图2示意性的示出精细分级的套管(如图1和1A所示的套管)的内部横 截面(径向表面)。在中间是导体2，片状隔离物4在围绕导体2螺旋缠绕并在 隔离物4中填充有白点表示的填料颗粒。为使图2清楚，相邻层被画成彼此间 隔很远，通常不是这样的。通常，用力缠绕芯，使得相邻层彼此接触。均衡板5用虚线示出。〗继的是，如图2所示，均衡板5大致完全包围导体。用纸作为隔离物4而没有i辩斗颗粒(在树脂6中或纸4中)的标准的树脂 浸渍的芯的热导率典型是大约0.15W/mK到0.2W/mK。根据本发明，对于套管 芯3的热导率，可以轻易的获得至少为0.3W，m、K—1到0.9V^m、K—1甚至高于或 远高于1.2W*m、K—1或2W，m、K—1的值。另外，在l顿填料颗粒时，芯3的热膨胀系数(CTE)可以小得多。这导 致热机械应力减小。结合图1描述的套管的制itil程典型的包括如下步骤制造包括填料颗粒 14 (例如，使用制造打印纸熟知的过程)的刍皮纹纸4、在导体2上缠绕纸4 (用 一条或多条带或片)、在缠绕过程中添加均衡电极5、施加真空和施加基体材料 6至U抽真空的芯3直到芯3完全浸渍为止。在真空下的浸渍通常在5(TC至90°C 的^^发生。然后环氧基体材料6在典型的IO(TC至14(TC的温度下固化(硬化) 并最终后固化，以达到预期的热机械性能。然后芯被冷却、机械加工，施加凸 缘10、绝缘封套11和其他部件。iM的是，i辩斗颗粒大致均匀分布在隔离物中。使用非纸隔离物材料，例如纤维聚合物网格或网状物可以允许制造无纸的 干的(无油)套管。这是优势，因为浸渍前干燥隔离物纸的过程可以被加快或 甚至^lf兆过。不将金属箔片插入隔离物缠绕之间，均衡板5还可以通过将导电或半导电材料直接施加至鹏离物4上形成。如果隔离物4由纤维(例如纤维素或聚合物)制成，将导电或半导电纤维加入隔离物网中也是可能的。高压套管典型的额定电压是在大约10kV到1200kV，额定电流为10A到 lOOkA。图3非常示意性的示出了高压或中压设备100，在这种情况下，其包括， 两个根据本发明的套管l。该设备可以，例如是 器100或也可以是开关设备 100。设备100具有接地的外壳，内部具有高压HV。设备100的其他细节没有示出。附图标记列表1 套管，电容式套管2 导体3 芯4 隔离物，片状隔离物，纸5 均衡板，铝箔6 基体材料，环氧柳旨10 凸缘11 绝缘封套(具有伞裙)，中空芯合成物12 绝缘介质，繊 14 徵斗颗粒100 高压或中压设备，变压器，开关设备A 轴
权利要求
1、具有导体(2)以及围绕导体(2)的芯(3)的套管(1)，芯(3)包括片状隔离物(4)，其特征在于隔离物(4)包括填料颗粒(14)，该填料颗粒(14)在浸渍过程前预先填入隔离物(4)中并且与没有任何预先填入的颗粒(14)的隔离物(4)相比该填料颗粒(14)增加了热导率。
2、 根据权利要求l的套管(1)，其特征在于ilil隔离物(4)形成围绕导 体(2)的多层。
3、 根据前述丰又利要求之一的套管(1),其特征在于包括^M颗粒的隔离物 (4)用电绝織体材料(6)浸渍。
4、 根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括纤维 素纤维。
5、 根据权利要求4的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括纸，尤其是 铍纹纸。
6、 根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)包括聚合物。
7、 根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于iH4颗粒(14)是电绝 缘或半导i^粒(14)。
8、 根据前述权利要求之一的套管0)，其特征在于±辩斗颗粒(14)占隔离 物(4)的重量的至少1%，尤其是至少5%。
9、 根据前述^^IJ要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)具有至少 0.3W，m、K—1 ，尤其是至少0.8W*m-、K—1的热导率。
10、 根据前述权利要求之一的套管(1)，其特征在于隔离物(4)围绕轴(A) 缠绕，轴(A)通过导体(2)的形状限定，并且在距离轴(A)适当的径向距 离，在芯(3)内提供有金属或半导电材料的均衡板(5)。
11、 高压或中压设备，尤其是开关设备，包括根据前述权利要求之一的套 管(1)。
12、 M器，包括根据权利要求1-10之一的套管(1)。
13、 制造套管(1)的方法，其中片状隔离物(4)围绕导体(2)或围绕心轴缠绕，其特征在于包括i!^斗颗粒(14)的片状材料(4)用作隔离物(4)，其中i!l斗颗粒(14) 在浸渍过程前预先填入隔离物中并且与没有任何预先填入的颗粒(14)的隔离 物(4)相比增加了热导率。
14、 根据权利要求13的方法，其特征在于填料颗粒(14)在隔离物围绕导 体(2)或围绕心轴缠绕前加入隔离物(4)中。
15、 片状材料(4)的使用，该片状材料包括填料颗粒，在套管(1)的芯 (3)中作为隔离物(4)。
全文摘要
套管(1)具有导体(2)和包围导体(2)的芯(3)。芯(3)包括片状隔离物(4)，其中隔离物(4)包括填料颗粒(14)。套管(1)可以是用电绝缘基体材料(6)浸渍的树脂浸渍的分级套管(1)。隔离物(4)可以包括纸，尤其是皱纹纸。填料颗粒(14)优选是电绝缘或半导电颗粒。可以使芯(3)的热导率增加。
文档编号H01B17/28GK101253582SQ200680020177
公开日2008年8月27日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月7日
发明者A·克里夫达, H·希尔伯格, J·罗克斯, L·里特泽, O·约特斯塔姆, P·迈耶, V·蒂利特 申请人:Abb研究有限公司